Создание научных принципов легирования алюминиевых сплавов нового поколения на основе кальцийсодержащих эвтектик, упрочняемых наночастицами скандийсодержащей фазы

С использованием экспериментальных (ОМ, СЭМ, ПЭМ, ДТА, МРСА) и расчетных (Thermo-Calc) методов исследованы фазовый состав и структура многокомпонентных сплавов на основе высокодисперсной Ca-содержащей эвтектики, содержащих скандий, никель, кремний, магний, марганец, цинк и цирконий. Построены фрагменты фазовых диаграмм в алюминиевом углу, изучено влияние состава и температуры термообработки на структурные параметры сплавов этих систем. Рассчитаны кривые неравновесной кристаллизации (по модели Sheil-Gulliver), определено возможное упрочнение сплавов на основе зависимостей твердости от параметров термической обработки. Исследована тонкая структура модельного эвтектического сплава Al - 7,6% Ca - 0,3% Sc (мас. %), нагреваемого в колонне электронного микроскопа. Определены размеры структурных составляющих и их изменение в процессе температурного воздействия. Средний размер ветвей дендритов фазы Al4Ca в эвтектике (Al)+Al4Ca в литом состоянии около 0,5 мкм. В процессе нагрева до 600°С их размер увеличивается примерно до 3 - 5 мкм. При распаде алюминиевого твердого раствора с выделением частиц фазы Al3Sc, их размер в состоянии максимального упрочнения при температуре 300°С составляет около 5 нм, а при температуре 450°С их размер увеличивается до 50 нм, что приводит к разупрочнению сплавов. Показано, что размер выделений Al3Sc на границах с частицами фазы Al4Ca значительно больше, чем внутри дендритных ячеек (Al). Оценено упрочнение экспериментальных сплавов разных систем легирования в процессе отжига. Максимального упрочнения достигается при температурах 300-350°С. Наибольшие значения твердости у сплавов Al-6Ca-0,3Sc-10Mg и Al-7Ca-0,3Sc-1Mn. Проведена оценка литейных свойств, лучшие значения показал сплав Al-7Ca-0,3Sc-1Mn. Показано, что упрочняющий эффект за счет наночастиц фазы L12 может быть получен при частичной (или даже полной) замене дорогостоящего скандия цирконием. При этом пик упрочения сдвигается в сторону более высоких температур. Показано, что в сплавах системы Al-Zn-Mg-Ca значительная часть цинка находится в эвтектических включениях Ca-содержащей фазы, а его концентрация в (Al), которая необходима для получения заметного дисперсионного упрочнения, существенно ниже его концентрации в сплаве. Установлено, что начиная с 500ºС происходят фрагментация и сфероидизация эвтектических включений Ca-содержащей фазы Al4Ca. Согласно результатам микрорентгеноспектрального анализа, состав этих включений отвечает формуле Al3ZnCa. На примере экспериментального сплава Al-10Zn-3Mg-3,5Ca показано, что максимальная твердость в отливках после термообработки по режиму Т6 (закалка + старение) достигает 200 НВ. Это предполагает возможность достижения прочности на разрыв около 600 МПа, что значительно превосходит уровень марочных литейных алюминиевых сплавов.